Vorrichtungsbau: Definition, Aufgaben und Vorteile

Was ist Vorrichtungsbau?

Der Vorrichtungsbau, auch Vorrichtungskonstruktionsbau genannt, spielt vor allem im Maschinenbau, aber auch in anderen Bereichen der Produktion eine wichtige Rolle. Er stellt Hilfsmittel her, die die Fertigung oder Bearbeitung von Werkstücken und verwandten Betriebsmitteln unterschiedlichster Art erleichtern.
Die wesentlichen Aufgaben von Vorrichtungen sind das Fixieren, Spannen, Führen, teils auch das Messen und Prüfen von Werkstücken. Dies geschieht auf mechanische, magnetische, hydraulische oder pneumatische Weise. Bei Bedarf ist auch die Kombination mehrerer Techniken möglich.

Vorrichtungen im Maschinenbau

Vorrichtungen lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen:

• Werkstückabhängige Vorrichtungen: Diese sind speziell für bestimmte Produkte oder Prozesse konzipiert und werden meist als teure Einzelanfertigungen ausgeführt. Ihre hohe Anpassung an das Werkstück ermöglicht eine präzise Bearbeitung, ist jedoch mit höheren Kosten verbunden.
• Werkstückunabhängige Vorrichtungen: Im Gegensatz dazu sind diese Vorrichtungen universell einsetzbar und können für eine Vielzahl von Aufgaben genutzt werden. Beispiele hierfür sind Maschinenschraubstöcke, Bohrer, Drehmeißel oder Messschieber. Durch ihre Flexibilität sind sie oft kostengünstiger.

Anwendungsbereiche von Vorrichtungen

Erzeugnisse des Vorrichtungsbau finden in zahlreichen Branchen Anwendung, darunter:

• Automobilindustrie: Sowohl Automobilhersteller als auch Zulieferer setzen auf Vorrichtungen zur effizienten Produktion von Fahrzeugkomponenten.
• Elektro- und Haushaltsgeräteproduktion: In dieser Branche dienen Vorrichtungen zur Herstellung von Präzisionsteilen und zur Montage komplexer Geräte.
• Metallbau: Hier kommen Vorrichtungen für die Bearbeitung von Metallen und die Herstellung von Metallkonstruktionen zum Einsatz.
• Kunststoffverarbeitung: Die Kunststoffindustrie nutzt Vorrichtungen für die Formgebung und Verarbeitung von Kunststoffteilen.
• Maschinenbau: Im Maschinenbau selbst werden Vorrichtungen für die Herstellung von Maschinenelementen und für die Montage von Maschinen eingesetzt.
• Medizintechnik: Auch in der Medizintechnik spielen Vorrichtungen eine wichtige Rolle, beispielsweise bei der Herstellung von medizinischen Instrumenten und Implantaten.

Die Bedienung von Vorrichtungskonstruktionen erfolgt oft manuell, etwa dank Hand- und Hilfsvorrichtungen oder an Handarbeitsplätzen. Diese können über mehrere Vorrichtungen verfügen, die nacheinander ablaufende Arbeitsschritte an einem Ort platzsparend verbinden. Daneben bietet der Vorrichtungsbau teil- beziehungsweise vollautomatische Apparate an. Dazu zählen Werkstückträgerumlaufsysteme, Roboter, Linearachssysteme, Sortieranlagen, Förderanlagen oder Magazinier-Systeme.

Die wesentlichen Aufgaben von Vorrichtungen

Wie erwähnt, unterstützt der Vorrichtungsbau seine Kunden mit Erzeugnissen für unterschiedliche Einsatzzwecke in der Produktion. Dabei lassen sich drei Hauptaufgaben von Vorrichtungen nennen: Lagebestimmung, Spannen und Führung von Werkstücken sowie von Werkzeugen.

Lagebestimmung und Werkstückaufspannung

Die genaue Position eines Werkstücks ist eine Grundvoraussetzung für eine präzise Bearbeitung. Nur wenn seine Lage im Raum definiert und während des Fertigungsprozesses konstant gehalten wird, können die gewünschten technischen Spezifikationen zuverlässig erfüllt werden.

Die sechs Freiheitsgrade

Um ein Werkstück sicher zu fixieren und seine Lage zu kontrollieren, müssen ihm seine sechs Freiheitsgrade entzogen werden. Diese Freiheitsgrade beschreiben die möglichen Bewegungen eines Körpers im Raum:

Translationen:

• Vorwärts- und Rückwärtsbewegung
• Aufwärts- und Abwärtsbewegung
• Links- und Rechtsbewegung

Rotationen:

• Drehen um die Längsachse (Rollen)
• Drehen um die Querachse (Nicken)
• Drehen um die Hochachse (Gieren)

Vollständige und teilweise Lagebestimmung

Ist es gelungen, alle sechs Freiheitsgrade eines Werkstücks zu fixieren, spricht man von einer vollständigen Lagebestimmung. Sind hingegen nur einige Freiheitsgrade eingeschränkt, liegt eine teilweise Lagebestimmung vor.

Die Bedeutung der perfekten Lagebestimmung

Eine fehlerfreie Lagebestimmung, auch als Werkstückaufspannung bezeichnet, ist entscheidend für die Präzision der gesamten Bearbeitung. Nur wenn das Werkstück sicher und korrekt fixiert ist, können Werkzeuge wie Fräser, Bohrer oder Schleifscheiben ihre Aufgabe präzise erfüllen.

Werkstück- und Werkzeugspannung

Unter dem Begriff "Spannen" versteht man die sichere Fixierung von Werkstücken (mit Hilfe von Werkstückspannern) und Werkzeugen (mit Hilfe von Werkzeugspannern) während eines Bearbeitungsprozesses. Ziel ist es, die Bewegungsmöglichkeiten (Freiheitsgrade) der Werkstücke und Werkzeuge so einzuschränken, dass sie während der Bearbeitung ihre Position nicht verändern.

Anforderungen an Spannvorrichtungen

Eine effektive Spannvorrichtung muss folgende Anforderungen erfüllen:

• Ausreichende Spannkraft: Die Spannkraft muss groß genug sein, um das Werkstück sicher zu fixieren, darf aber nicht zu groß sein, um das Werkstück oder das Werkzeug zu beschädigen.
• Schnelles Spannen und Entspannen: Um den Produktionsfluss nicht zu unterbrechen, sollte das Spannen und Entspannen möglichst schnell erfolgen.

Arten der Werkstückspannung

Es gibt zwei grundlegende Arten der Werkstückspannung:

• Starre Spannung: Bei der starren Spannung werden mechanische Elemente wie Spannkeile, Spannschrauben, Spannexzenter, Spannspiralen und Kniehebelspanner verwendet, um das Werkstück fest zu fixieren.
• Elastische Spannung: Bei der elastischen Spannung werden elastische Medien wie Flüssigkeiten, Luft oder magnetische Kräfte eingesetzt, um das Werkstück zu halten. Beispiele hierfür sind Magnetspannplatten und elektromechanische Spanner.

Führung von Werkzeugen

Damit Arbeitsschritte in Vorrichtungen mit großer Genauigkeit vonstattengehen, müssen die Werkzeuge eine hohe Steifigkeit besitzen. Andernfalls weichen sie von der vorgesehenen Position ab, was Bearbeitungsfehler zur Folge hat. Um das zu verhindern, sind bei eher labilen Werkzeugen Vorrichtungen mit Führungen erforderlich, welche die Instrumente halten und bei ihren Aufgaben stützen.
Dabei lassen es sogenannte Werkzeugeinstellelemente zu, die Position von Werkzeugen innerhalb einer Vorrichtung anzupassen. Hier ist darauf zu achten, dass Führungssegmente wie Bohrbuchsen, Steckbohrbuchsen oder Bohrplatten kein Spiel haben.

Vorrichtungen: Das sind die Vorteile

Die Hilfsmittel des Vorrichtungsbaus sind vor allem dann sinnvoll, wenn Bauteile und Werkstücke mit möglichst geringen Toleranzen hergestellt werden müssen. Vorrichtungen sind zudem bei der Serienfertigung von Nutzen, bei der bestimmte Werkstücke in gleichbleibender Qualität und in großer Stückzahl gebraucht werden. In diesen Fällen erhöhen sie generell die Fertigungssicherheit, erleichtern die Bedienbarkeit und fördern zugleich den Arbeitsschutz.
Außerdem ermöglichen sie auf vergleichsweise einfache Art und Weise die Herstellung komplex geformter Teile. Das erlaubt nebenbei den Einsatz von angelernten Arbeitskräften. Auch lassen entsprechend ausgestattete Vorrichtungen mehrere Arbeitsgänge in einer Spannung zu. Und sie helfen, Kontroll- und Prüfzeiten zu verkürzen. Das zusammengenommen reduziert Kosten und erhöht die Wettbewerbsfähigkeit.

Trends im Vorrichtungsbau

Wie andere Technologien entwickelt sich auch der Vorrichtungsbau stetig weiter. Um eine noch präzisere und flexiblere Fertigung zu ermöglichen, greift er zunehmend auf digitale Vorrichtungen zurück, welche Sensoren, IoT-Konnektivität und Datenanalyse verwenden. Dies dürfte künftig verstärkt mit dem Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) einhergehen.

So ausgestattet könnten Vorrichtungen eigenständig Informationen verarbeiten, daraus Schlüsse ziehen und sich an geänderte Umstände anpassen. Die Kombination mit Technologien wie Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) erweitert das Potenzial zusätzlich und könnte die Branche hinsichtlich Flexibilität, gesteigerter Präzision und höherer Effektivität verändern.